基于半導(dǎo)體制冷預(yù)冷的氮氣冷凍刀系統(tǒng)實驗研究

于子淼 武衛(wèi)東 姜博仁 苗朋科 費天庠

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

1 引言

冷凍刀的主要功能是使組織達到足夠低的溫度，并持續(xù)提供足夠大的冷量，滿足凍結(jié)組織的需要。冷凍刀采用的降溫方法主要包括:熱電制冷法、相變吸熱法和絕熱節(jié)流法［1］。其中，根據(jù)氣體的不同，采用絕熱節(jié)流法的冷凍刀主要包括:(1)氬氦刀。于天驊［2］等人通過實驗對美國Endocare公司生產(chǎn)的氬氦刀進行水中凍結(jié)實驗，得到形成的最大冰球尺寸為4 cm×3 cm。但是也具有諸如升降溫強度不能隨意調(diào)節(jié)、冷凍時間判斷只能依靠經(jīng)驗等缺點;(2)CO2冷凍刀。童明偉［3］得到在不同刀頭直徑條件下，CO2冷凍刀的冰球生長速度、大小及對熱流密度的響應(yīng)差異。中國庫藍公司［4］自行研制的CO2冷凍刀也已達到國際先進水平;(3)氮氣冷凍刀。蘇穎穎［5］等自行研制了一種多刀腫瘤超低溫冷凍治療設(shè)備，最低溫度可達到－170℃。趙慶孝［6］等自行研制出一種新型超低溫冷凍醫(yī)療系統(tǒng)，具有溫度可控、降溫速度快等優(yōu)點，最低溫度可達到－180℃。綜合考慮各種氣體的物理化學(xué)性質(zhì)、氣體節(jié)流降溫特性、安全性，特別是用于冷凍醫(yī)療手術(shù)環(huán)境，本系統(tǒng)采用氮氣為節(jié)流冷卻氣體。

半導(dǎo)體制冷是帕爾帖效應(yīng)在制冷方面的應(yīng)用［7］。熱電制冷器具有無污染、體積小、無噪音等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)、醫(yī)療中。通常單級熱電制冷器只能得到70 K的最大溫差，在大溫差條件下，制冷工況會迅速惡化，制冷效率也會明顯降低。因此，為了得到更大的溫差和更優(yōu)的COP，通常采用多級熱電制冷器。

根據(jù)氮氣J-T節(jié)流制冷效應(yīng)原理，當(dāng)其初始溫度越低時，膨脹節(jié)流后的溫度越低，節(jié)流降溫效果越好。前人的研究多為利用常規(guī)機械制冷手段進行預(yù)冷，而冷凍外科手術(shù)實施過程中要求設(shè)備體積小，無污染，尤其是無噪聲?？紤]到半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)點，本文研制并實驗研究了采用三級半導(dǎo)體制冷作為氮氣冷凍刀預(yù)冷手段的降溫系統(tǒng)。

2 半導(dǎo)體預(yù)冷器的設(shè)計

根據(jù)特定的臨床要求，取冷凍刀產(chǎn)生冰球的直徑為30 mm。可計算出需要冷凍刀釋放的冷量約為30 W。基于此，經(jīng)過系統(tǒng)計算［8］可得，預(yù)冷器總的熱負(fù)荷約為51.4 W，再依據(jù)預(yù)冷器中換熱管直徑的不同設(shè)計取值，對應(yīng)計算出換熱管長。

設(shè)計的預(yù)冷器主要由兩塊紫銅板、半導(dǎo)體制冷器、絕熱棉、聚氨酯發(fā)泡劑、高強度鋼板組成。為了達到更低的預(yù)冷溫度，同時考慮半導(dǎo)體制冷器的冷量大小、加工工藝，本文中設(shè)計半導(dǎo)體制冷器為三級半導(dǎo)體。

在將纏繞好的紫銅管放入事先加工好的具有凹槽的紫銅板，將半導(dǎo)體制冷器冷端緊貼銅板，用鋼板和螺栓夾緊，最后用聚氨酯發(fā)泡劑進行隔熱。

根據(jù)廠家提供的經(jīng)驗值，本文設(shè)計采用的單個半導(dǎo)體制冷量為7 W。實驗過程中三級半導(dǎo)體的熱端運行溫度20℃，冷端運行溫度－60℃。半導(dǎo)體熱端散熱利用自來水進行水冷，按自來水進出預(yù)冷器的溫差Δt=5℃考慮，可計算出自來水流量需滿足VH2O≥7 L/min。

3 氮氣冷凍刀實驗系統(tǒng)

本實驗系統(tǒng)主要由氣源模塊、氣體壓力控制模塊、預(yù)冷模塊、冷凍探針、數(shù)據(jù)采集模塊5大部分組成，實驗裝置圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實驗中主要測量參數(shù)是溫度和壓力。在對所用熱電偶進行校準(zhǔn)后，將熱電偶放置在緊靠在冷端與紫銅板接觸處，這樣測量出的溫度近似為半導(dǎo)體制冷器冷端的溫度，在熱端也分別布置熱電偶監(jiān)測溫度。實驗中通過減壓閥對氮氣初始壓力進行定量調(diào)節(jié)。

本文研制的冷凍刀，是將焊接好的Φ0.4 mm的不銹鋼管插入單頭封閉的Φ3 mm不銹鋼管中焊接制作成的。氮氣膨脹產(chǎn)生冷效應(yīng)，使不銹鋼管壁達到低溫，換熱后的低溫氮氣沿著不銹鋼管的內(nèi)壁返回大氣中，從而更好地利用回氣冷卻進氣。冷凍刀尖處設(shè)有一枚T型熱電偶，實時監(jiān)測針尖的溫度。

4 氮氣冷凍刀節(jié)流降溫性能實驗

4.1 不同初始氮氣壓力下未預(yù)冷(室溫)與預(yù)冷后節(jié)流前后降溫特性

為比較不同初始氮氣壓力(3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 MPa)在未預(yù)冷和預(yù)冷條件下節(jié)流后的溫度，分別在室溫環(huán)境23℃(無預(yù)冷)、預(yù)冷溫度－58℃條件下進行節(jié)流后降溫實驗。為了解氮氣節(jié)流后冷凍刀頭的溫度變化特性，下邊首先對預(yù)冷條件下的節(jié)流降溫實驗進行分析，如圖2所示是預(yù)冷溫度為－58℃不同初始氮氣壓力條件下的節(jié)流后冷凍刀頭溫度變化。

圖2 不同氮氣初始壓力冷凍刀溫度變化曲線Fig.2 Change curve of cryoprobe temperature under various initial pressure of nitrogen

由圖2可知，初始階段，伴隨著氮氣的節(jié)流效應(yīng)，冷凍刀溫度在極短時間內(nèi)迅速降低，時間0ˉ15 s內(nèi)不同初始壓力的溫度變化曲線斜率均接近豎直，氮氣初始壓力越高，降溫速率越快，達到穩(wěn)定溫度的時間越短。根據(jù)氣體節(jié)流效應(yīng)基本原理，節(jié)流效應(yīng)與節(jié)流前后壓力和溫度有關(guān)，提高節(jié)流前的壓力或降低節(jié)流前的溫度，都可以增大氣體節(jié)流效應(yīng)。由圖2可看出，隨著氮氣初始壓力的增大，冷凍刀最終達到的穩(wěn)定溫度逐漸降低。最高初始壓力12 MPa時達到最低節(jié)流溫度－120℃。經(jīng)過一定時間，氮氣節(jié)流降溫與冷凍刀和外界的換熱達到動態(tài)平衡，溫度將會基本維持不變，不同初始壓力下的溫度曲線均趨向于水平。

圖3 不同氮氣初始壓力下未預(yù)冷與預(yù)冷后節(jié)流后溫度對比Fig.3 Throttle temp comparison with and without pre-cooling under various initial pressure of nitrogen

圖3為不同初始壓力下，未預(yù)冷與預(yù)冷后節(jié)流后溫度的變化情況對比。由圖3可知，相同初始壓力下，未預(yù)冷的節(jié)流后溫度明顯小于預(yù)冷的節(jié)流后溫度。兩種情況下的節(jié)流后溫度隨著初始壓力的增加，都呈下降趨勢，且預(yù)冷后的溫降曲線斜率大于未預(yù)冷的溫降曲線斜率。未預(yù)冷條件下，隨著初始壓力增大，節(jié)流后溫度由3 MPa時的10℃降到12 MPa時的－10℃，最大溫差為20℃;而預(yù)冷后則由3 MPa時－68℃降到12 MPa時的－120℃，最大溫差達到52℃，降溫效果顯著。另一方面，隨著初始壓力的增大，相同初始壓力所對應(yīng)的兩種情形下節(jié)流后溫差呈逐漸增大的趨勢。5 MPa時，預(yù)冷節(jié)流后溫度與室溫下節(jié)流后的溫度差為84℃，12 MPa時則達到111℃。

由圖2、圖3可知，氮氣初始壓力越大，冷凍刀制冷性能越優(yōu)越。但是，壓力過大會導(dǎo)致氮氣消耗過快，經(jīng)濟性不好;壓力太小會導(dǎo)致溫度下降緩慢，不利于殺死癌細(xì)胞，也達不到較低的溫度，影響治療效果。綜合考慮上述因素，采用8.5 MPa作為氮氣的初始壓力，預(yù)冷溫度恒定為－58℃，進行下邊進一步的性能實驗研究。

4.2 冷凍刀制冷量性能測試實驗

4.2.1 實驗步驟與結(jié)果分析

使用熱平衡法測量探頭冷量大小。首先開通冷凍刀降溫系統(tǒng)，待冷凍刀針尖溫度穩(wěn)定時，接通可調(diào)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，調(diào)節(jié)電加熱帶的電壓，直到冷凍刀探針的溫度恒定。此時達到熱平衡，電加熱帶的加熱功率即為冷凍刀制冷量，測試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 冷量測試系統(tǒng)圖Fig.4 Testing system chart of refrigeration capacity

取冷凍刀制冷溫度恒定為－47℃，測量不同初始壓力下氮氣冷凍刀冷量的大小，冷量變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，冷量隨著氮氣初始壓力的增大而基本成線性增大，當(dāng)壓力為2.5 MPa時，冷量為7 W左右，而當(dāng)壓力為8.5 MPa時，冷量可達30 W，這是因為壓力越大，管內(nèi)流速越快，冷凍刀出口處的氮氣流量越大，因此產(chǎn)生的冷量越大。

圖5 制冷恒定溫度為－47℃不同壓力下冷凍刀冷量曲線圖Fig.5 Graph of refrigeration capacity under various ressure with a constant refrigeration temperature of 47℃

4.2.2 數(shù)據(jù)測試誤差分析

冷量測試誤差主要涉及以下兩方面:

(1)加熱帶功率控制器儀器誤差?？刹捎枚啻螠y試，取其平均值來減少誤差。

(2)保溫棉(巖棉)的導(dǎo)熱損失量計算。室溫為23℃，取加熱帶工作時加熱帶與巖面接觸處測量的最高溫度為300℃，則:

式中:λ為巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m˙K);Δt為巖棉內(nèi)外層溫差，℃;S為巖棉與加熱帶有效接觸面積，m2;δ為巖棉的厚度，m。

綜上所述，冷量測試的誤差為:

式中:Pc為冷量測試值，為了得出最大誤差，取冷量最小值10 W。最大誤差不超過5%，可滿足要求。

4.3 氮氣冷凍刀在水中凍結(jié)實驗研究

為考察冷凍刀的實際應(yīng)用性能，進行了氮氣初始壓力8.5 MPa下冷凍刀在水中凍結(jié)過程實驗。實驗中，蒸餾水初溫為23℃，水量為180 mL。

圖6顯示了冷凍刀插入水中經(jīng)過不同時間形成冰球的實物圖(分別為第 30 s、2 min、10 min、14 min后)。

圖6 不同時刻冰球大小與形狀Fig.6 Size and shape of ice hockey at different time

冷凍刀系統(tǒng)啟動30 s時，橢圓形的冰球慢慢形成并逐漸增長，且冰球長大速度明顯可見，在14 min左右之后。實驗進行14 min之后，觀察到的最大冰球尺寸(長 ×直徑)為:3.8 cm ×2.5 cm。

為比較不同初始壓力下冷凍刀的溫度，分別在氮氣初始壓力8.5 MPa與6.5 MPa下進行水中凍結(jié)實驗，溫度變化如圖7所示。

圖7 8.5、6.5 MPa下冷凍刀插入水中溫度對比Fig.7 Temperature comparison of cryoprobe in water under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

由圖7可知，初始壓力為6.5 MPa的節(jié)流降溫速度比8.5 MPa壓力下慢，驗證了氮氣初始壓力越高，降溫的速率越快，達到穩(wěn)定溫度的時間越短，穩(wěn)定溫度也越低的結(jié)論。圖8顯示了相同時間內(nèi)，氮氣初始壓力8.5 MPa與6.5 MPa下冷凍刀插入水中形成的冰球形狀和大小。由圖8可知，兩冰球的形狀都為橢球形，這可能是由于水在凍結(jié)過程中受其重力影響的緣故。經(jīng)過測量，8.5 MPa下形成的冰球大于6.5 MPa下形成的冰球，直徑分別為2.5 cm、2 cm，驗證了:初始壓力越大，冷凍刀冷量越大。

圖 8 8.5、6.5 MPa 下生成冰球直徑對比Fig.8 Comparison of ice hockey’s diameter under the pressure of 8.5 MPa and 6.5 MPa

5 結(jié)論

(1)通過常溫節(jié)流和預(yù)冷后再節(jié)流的實驗對比，得出預(yù)冷后的節(jié)流后溫度與未預(yù)冷下的相比大幅降低，且初始壓力越高，這一差別越大，證明氮氣預(yù)冷后比未預(yù)冷有明顯的節(jié)流降溫效果。

(2)通過不同氮氣初始壓力節(jié)流實驗對比，得出氮氣初始壓力越高，節(jié)流后溫度越低，節(jié)流溫差也越大。冷凍刀在8.5 MPa下節(jié)流溫度可達－98.3℃，在初始壓力12 MPa下，節(jié)流后的氮氣最低溫度可達－120℃。

(3)冷凍刀的冷量隨著刀頭恒定制冷溫度的不同而不同，初始壓力為8.5MPa時，溫度恒定為－47℃時，冷量為30 W，可滿足生成直徑30 mm組織冰球的要求(組織損傷臨界溫度為－20ˉ－40℃)。

(4)該冷凍刀在8.5 MPa下，插入水中(初始溫度23℃)14 min分鐘可形成長度×直徑為3.8 cm×2.5 cm的橢圓形冰球，而在6.5 MPa初始壓力下，冰球直徑為2 cm，小于前者，驗證了氮氣初始壓力越大，冷凍刀冷量越大。

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